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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben einer Sensorzelle zur Abgas-Analyse, wie sie in bekannter Weise
in den Abgastrakten von Verbrennungskraftmaschinen zur Regelung
und Reduzierung eines Schadstoffausstoßes eingesetzt werden. Hier
dienen derartige Abgas-Analyse-Sensorzellen der Bestimmung eines
Gehaltes von Stickoxiden und sonstiger umweltschädlicher Gase, die Bestandteile
eines Abgasgemisches sind. Für
die Regelung werden aus den elektrischen Ausgangssignalen dieser
Sensoren die erforderlichen Regelgrößen aufbereitet.
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Als λ-Sonden und
Stickoxid- bzw. NOx-Sensoren für
Kraftfahrzeugabgase haben sich elektrisch beheizte Keramiksonden
bewährt.
Als keramisches Material wird im Wesentlichen Zirkoniumoxid ZrO2 verwendet, das im Betrieb durch eine elektrische
Widerstandsheizung auf Temperaturen zwischen 300 bis 850°C aufgeheizt
wird.
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Ohne
Beschränkung
der Erfindung auf diesen besonderen Anwendungsfall wird im folgendem nur
auf keramische Breitbandsonden eingegangen, wie sie als λ- und Stickoxid-Sensoren
in der Kraftfahrzeugtechnik zur Regelung des Schadstoffausstoßes verwendet
werden. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau von λ- und Stickoxid-Sensoren werden diese Sonden
bzw. Sensoren im Abgastrakt derart angeordnet, dass λ-Sensoren
vor einem Katalysator und Stickoxid-Sensoren hinter einem Katalysator
im Abgastrakt angeordnet sind. Eine Breitband-Sonde misst im Gegensatz
zu den nicht weiter betrachteten Finger-, Planar- oder Widerstands-Sprungsonden nicht
nur bei einem Bereich um λ ≈ 1, sondern
kontinuierlich über
einen weiten λ-Bereich
der Gemische von fett bis mager. Breitbandsonden besitzen dazu zwei
Zellen, nämlich
eine so genannte Pumpzelle und eine Konzentrationszelle, die auch
als Sensorzelle oder Nernst-Zelle bezeichnet wird. Daher ist eine
entsprechende Regelung auf der Basis eines Ausgangssignals einer
Breitbandsonde in der Lage, stetig jedes gewünschte Luftverhältnis λ im Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine herzustellen.
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Eine
vom Prinzip her aus zwei Zellen bestehende Breitband-λ-Sonde steht mit drei
verschiedenen Medien in Kontakt, nämlich Luft aus der Umgebung
sowie einem Abgasgemisch und einem λ-Eins-Gemisch. Das λ-Eins-Gemisch wird in der Messkammer
aus Abgas und Umgebungsluft durch einen Pumpstrom Ip automatisch
erzeugt. Dieser Pumpstrom Ip wird als Maß für das Luftverhältnis λ ausgewertet.
Um diesen Prozess jedoch überhaupt einleiten
zu können,
ist die Breitbandsonde zuvor auf eine Mindestbetriebstemperatur
von circa 500 °C
zu bringen. Bei dieser Temperatur verliert die Zirkoniumoxid-Keramik
ihre Eigenschaft als elektrischer Isolator soweit, dass sie für Sauerstoff-Ionen
durchlässig wird
und als Festkörper-Elektrolyt
für den
Ionentransport wirkt.
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Aufgrund
des geringeren Platzbedarfes sowie einer ökonomischeren Fertigung werden
moderne Abgassensoren in der Regel mit einer Heizerschicht zum elektrischen
Aufheizen des Breitbandsensors auf seine Betriebstemperatur ausgestattet, die
direkt auf der Keramik und ohne zusätzliche elektrische Isolation,
wie sie beispielsweise durch einen Luftspalt hergestellt werden
kann, angeordnet ist. Das trifft für Bauformen von Planar- oder
Widerstands-Sprungsonden, wie auch für keramische Breitbandsensoren
zu. Für
derartige Breitbandsensoren auf der Basis einer Zirkoniumoxid-Keramik
ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 21 392 A1 ein besonders
vorteilhaftes Verfahren zur Steuerung des Heizelements bei der Verwendung
als NOx-Sensor offenbart, dass auf der Verwendung eines periodisch
schaltbaren, pulsweitenmodulierten Stromes mit einstellbarer Pulsweite
basiert. Mit Erreichen seiner Betriebstemperatur weist jedoch die
Zirkoniumoxid-Keramik eine nur noch sehr bedingt wirksame elektrische
Isolation des elektrischen Heizelementes zu den Messelektroden des
Sensors auf. Da hierdurch ein Stromfluss ab Erreichen einer Mindest-Betriebstemperatur
nicht mehr effektiv unterbunden werden kann, kann durch den beschriebenen Effekt
das Messergebnis des Sensors wesentlich verfälscht werden. Auch eine Verwendung
einer Zwischenschicht aus Aluminiumoxid-Keramik bewirkt bei der
Betriebstemperatur eines Sensors keine durchgreifende Verbesserung,
da bei steigender Temperatur auch der Widerstand des Al
2O
3-Materials sehr stark absinkt und damit
die elektrische Isolationswirkung auch dieses Materials.
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Die
sich aus dem vorstehend beschriebenen Effekt ergebenden Probleme
sind bekannt und im Stand der Technik bereits vielfältig behandelt
worden. So offenbart die
EP
1 026 501 A1 in Kenntnis verschiedener Fehlerquellen eine
Vorrichtung zur Messung eines Luft-Treibstoff-Verhältnisses
mit einer Fehlerkorrektur-Komponente, durch die eine Fehlerkorrektur
durch Herausfiltern von Anteilen des pulsweitenmodulierten Heizer-Signals aus dem Sensor-Ausgangssignal
bewirkt wird.
EP 0
849 590 A2 offenbart die Verwendung eines Rückkopplungs-Kontrollsystems,
das eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen einer Referenzelektrode
und einer Pump-Elektrode zum Ausgleich von Schwankungen einer Batterie-Spannung
etc. einstellt. Dieses Kontrollsystem soll aufgrund seiner Anordnung
in der Schaltung unanfällig
gegen verschiedene Fehlerquellen sein, wie z.B. Heizungs-Fehlerströme, Leitungslängen etc.
Gemäß der Lehre
der
DE 197 43 644
C2 wird eine Kompensation von Störungen, die von pulsweitenmodulierten
Heiz-Signalen stammen, dadurch bewirkt, dass ein Ausgangssignal
eines Sensors mit einem aufbereiteten, ebenfalls pulsweitenmodulierten
Kompensationssignal beaufschlagt wird, das sich im Gegentakt zu
dem Heiz-Signal befindet. Ferner schlägt
DE 44 23 390 A1 eine Messung von
Ausgangsignalen eines Gas-Sensors zu den Zeitpunkten vor, zu denen
keine Heizerspannung angelegt wird. Hierzu ist ein Schalter vorgesehen,
der durch den Ausgang eines NAND-Gatters angesteuert wird, dessen
einer Eingang mit der Regelung der Heizung verbunden ist. Der andere
Eingang ist geerdet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die auch unter Verwendung
der vorteilhaften, pulsweitengesteuerten Regelung des Heizelementes
in jedem Betriebszustand eines Sensors zuverlässige Messergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche dadurch
gelöst,
dass eine jeweilige elektrische Referenz eines jeweiligen Sensors
im Wesentlichen synchron mit dem arithmetischen Mittelwert der Versorgungsspannung
des elektrischen Heizelementes verändert wird, also eine Elektrode
P+ als Referenz im Fall eines Breitbandsensors bei PWM-geregelter
Heizer-Spannung. Dementsprechend sind in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Mittel zum Bestimmen eines arithmetischen Mittelwer tes oder eines
Gleichanteiles der pulsweitenmodulierten und geregelten oder in
sonstiger Weise veränderten
Eingangsspannung des elektrischen Heizelementes in Verbindung mit
einer Schaltung zur Korrektur des Potentials einer Referenz-Elektrode
des Sensors vorgesehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Abgassensoren
mit einer Heizerschicht, die direkt auf der jeweiligen Keramik ohne Luftspalt
aufgetragen ist, Kriechströme
zwischen der Heizerschicht und einer Referenz-Elektrode nicht unterbunden werden können, wodurch
sich Messfehler mindestens in einem geregelten Heizbetrieb aufgrund
der Verschiebung des Referenzpotentials zwangsläufig ergeben. Es hat sich dabei
gezeigt, dass ein bedeutender Messfehler im pulsweitenmodulierten
Regelbetrieb der Heizerschicht auftritt, wie es gerade beispielsweise
in der
DE 102 21 392
A1 als die Elektroden gering belastende Betriebsart vorgeschlagen
wird. Eine Linderung des Problems durch Ausschaltung des Einflusses
von elektrischen Strömen
zwischen der Heizerschicht und der Referenz-Elektrode kann dadurch
beschritten werden, dass Messungen nur außerhalb eines Aktivitätsintervalls
des pulsweitenmodulierten Heizerspannungssignals vorgenommen werden.
Dieser Ansatz vernachlässigt
jedoch, dass das Referenzpotential während dieser Vorgänge keinen
konstanten Wert hält,
sondern Abklingvorgänge
mit Zeitkonstanten ablaufen, die groß gegenüber der Länge eines jeweiligen Aktivitätsintervalls
sind. Da das Potential der Heizerschicht generell größer als
das Potential an der Referenz-Elektrode des Sensors ist, wird im
Fall eines Mehrkammer-Breitbandsensors eine O
2-Konzentration
durch Kriechströme
dem mittleren Heizpotential angeglichen.
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Als
weiterer, in der Literatur noch völlig unbeachteter Fehlereinfluss
ist zudem festzustellen, dass die Batterie- bzw. Versorgungsspannung
in einem Kraftfahrzeug lastabhängig
ist. Spannungsschwankungen können
damit beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass der Antrieb
für eine
Abgasklappe an dem gleichen Kabelstrang wie der Sensor beziehungsweise
dessen Heizerschicht hängt.
Gleiches gilt auch für
Scheinwerfer oder Blinker, so dass in bestimmten Betriebszuständen durch
die übrige Fahrzeugelektrik
und Elektronik der Batteriespannung eine sinusförmige Modulation als zusätzliche Störgröße für den Abgassensor
aufgeprägt
worden sein kann.
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Hier
greift eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Betreiben einer Sensorzelle ein, in dem sie verhindert, dass
die zu messenden Potentiale durch Änderungen der Batteriespannung
beeinflusst werden. Hierzu ist in einer Weiterbildung der Erfindung eine
Elektrode P+ als elektrische Referenz eines Breitbandsensors mit
einem zuvor empirisch ermittelten oder auch berechnetem Korrekturwert
synchron mit dem arithmetischen Mittelwert der Batteriespannung
zu verändern.
Es wird also ein gewichteter Gleichanteil der veränderlichen
Batteriespannung zu dem Potential der elektrischen Referenz-Elektrode addiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird hierzu das Ansteuersignal der Heizerschicht als pulsweitenmoduliertes
Spannungssignal einem RC-Glied zur Ermittlung eines arithmetischen
Mittelwertes unterworfen. Das Ausgangssignal des RC-Gliedes wird in einem
Verstärker
mit einem Faktor k verstärkt
und über
einen Summationspunkt dem Potential der Elektrode P+ zugefügt. Damit
ergibt sich zwischen der Referenz-Elektrode und der Elektrode P+
eine korrigierte Potentialdifferenz, die von den vorstehend aufgeführten Störeinflüssen im
Wesentlichen befreit worden ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Rahmen dieser Beschreibung im Wesentlichen
vor dem Hintergrund eines Einsatzes bei Breitbandsensoren in Kraftfahrzeug-Industrie
dargestellt. Planar- oder Widerstandssprungsonden als Eingangs erwähnte weitere
Anwendungsfälle
sollen jedoch nicht außer
Acht gelassen werden. In für
den Fachmann offensichtlicher Weise beeinflusst auch beispielsweise
bei einer Widerstandsmessung eine einseitige Potentialverschiebung
eines Referenzpotentials ein Messergebnis nachhaltig. Bei dem schon
prinzipiell relativ engen Messbereich von Widerstandssprungsonden
senken daher die vorstehend exemplarisch und nicht abschließend aufgeführten Fehlereinflussquellen
die Zuverlässigkeit
eines auf dieser Basis gewonnenen Regelsignals wesentlich.
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Weitere
Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens
und einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nachfolgend unter Bezug auf die Darstellung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1:
eine Schnittdarstellung durch einen Breitbandsensor zur λ-Messung
mit zugehöriger
Beschaltung und
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2:
ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorschaltmittels.
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In
den einzelnen Darstellungen der Zeichnung erhalten gleiche Bestandteile,
Komponenten und Größen durchgängig die
gleichen Bezeichnungen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen prinzipiellen Aufbau eines Messaufnehmers,
der je nach konkreter Ausgestaltung die NOx-Konzentration von Verbrennungsprodukten
in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, oder eine entsprechende
Luftzahl λ erfassen
kann. Der dargestellte Messaufnehmer ist als Sensor 1 ausgebildet
und besteht im Wesentlichen aus einem Festkörper-Elektrolyten 2,
hier Zirkoniumdioxid ZrO2. Wie in der Darstellung
von 1 durch die stets gleiche Schraffur angedeutet, wird
durch einen schichtweisen Aufbau eine innere Struktur mit separaten
Kammern beziehungsweise Messzellen 3, 4, 5 geschaffen,
die jeweils über
zugehörige
Kanäle 3a, 4a, 5a zugängig sind.
Der gesamte keramische Sensor 1 wird durch eine elektrische
Heizerschicht 6 auf Betriebstemperatur gebracht, wobei es
sich bei dem Ansteuersignal der Heizerschicht 6 um eine
pulsweitenmodulierte und getaktete Spannung VPWM handelt.
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Bei
Betriebstemperaturen von circa 700°C kann auch eine zusätzlich eingefügte Isolationsschicht 7 aus
Al2O3-Keramik den
Fluss von Kriechströmen
von dem höheren
Potential der Heizerschicht hin zu niederen Potentialen innerhalb
des Sensors 1 nicht verhindern. Potentialmesspunkte sind
im Bereich jeder der Zellen 3, 4, 5 als
Elektroden Ref, P–,
P+, M1 und M2 angeordnet. Durch die in Form des gebogenen Pfeils
dargestellten Kriechströme
und die damit einhergehenden Potentialverschiebungen wird die Messgenauigkeit
der Sensorzelle 1 im Zuge ihrer eigentlichen Messtätigkeit
wesentlich gestört,
wie nachfolgend beschrieben wird:
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Aus
dem nicht weiter dargestellten Abgastrakt wird Verbrennungsgasgemisch
A über
den Kanal 4a der ersten Messzelle 4 zugeführt. Über den Kanal 5a gelangt
bei Einschaltung des Sensors 1 eine kleine Gasmenge in
die im Übrigen
geschlossene Zelle 5. Hier werden über die Elektroden M1, M2 unter
Vermittlung der dargestellten externen Beschaltung mit Strom- und Spannungsquellen
O2–-Ionen
durch das umgebende Festkörper-
Elektrolyt gepumpt. Dementsprechend wird die Zelle 5 auch
als Pumpzelle bezeichnet. Die Zelle 3 ist über den
Kanal 3a mit Umgebungsluft U beziehungsweise unverbrauchter
Außenluft
mit einem Sauerstoffanteil von 21 % versorgt und dient gegenüber der
mit Abgasgemisch A gefüllten
Sensorzelle 4 als Referenzzelle.
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Aus
der schematischen Darstellung von 1 wird deutlich,
dass die Elektrode Ref in der Zelle 3 das Bezugspotential
für sämtliche
Spannungsmessungen darstellt. Damit wirken sich auch Verfälschungen ΔV durch Kriechströme und entsprechende
Verschiebungen dieses Referenzpotentials VRef als
prinzipieller Fehler auf sämtliche
Spannungs- und Strommessungen aus, auf deren Grundlage schließlich eine
NOx-Gehalt oder ein λ-Wert bestimmt werden.
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2 zeigt
nun ein Kompensationsverfahren zur Eliminierung der vorstehend beschriebenen Fehler,
das in Form eines Vorschaltmittels 9 umgesetzt wird. Dem
Vorschaltmittel 9 wird als Eingangssignal das pulsweitenmodulierte
und getaktete Steuersignal VPWM des Heizelementes 6,
zugeführt.
Ein RC-Glied bestimmt aus diesem Steuersignal VPWM einen
arithmetischen Mittelwert, der als Gleichanteil des Steuersignals über einen
Verstärker 10 mit
einem Gewichtungsfaktor k versehen zur Kompensation der Potentialverschiebung
an der Referenz-Elektrode Ref dem Potential der Elektrode P+ hinzuaddiert
wird. Dadurch ist die Potentialdifferenz zwischen Referenz-Elektrode
Ref und der Elektrode P+ um den die Messung verfälschenden Gleichanteil bereinigt
worden.
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Der
Korrekturwert k wird zuvor entweder empirisch ermittelt in Versuchen,
er kann jedoch auch errechnet werden. Zur empirischen Ermittlung
kann ein relativ einfacher Test in einem Labormessplatz dadurch
durchgeführt
werden, dass an einem Sensor bei gleich bleibenden Werten für NOx oder
die Luftzahl λ beispielsweise
mit definierten Sprüngen
belastete Versorgungsspannungen Ubat bzw.
pulsweitenmodulierte Heizersteuerspannungen VPWM zugefügt werden.
Aus den Signaländerungen
werden Zeitkonstanten τ in
einem Bereich zwischen 3 bis 4 Sekunden ermittelt. Daraus wird ein
Kalibrierungsmaß gewonnen,
dass gegen schnelle und periodische Störungen in einem Bereich von Δt ungefähr 1 Sekunde effektiv
einsetzbar ist.
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Damit
wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
und eine entsprechende Umsetzung ein insgesamt ruhiges NOx-Signal
auch bei größeren Batteriespannungsschwankungen
im dynamischen Bereich erzielt. Hieraus ergibt sich eine höhere Genauigkeit
besonders für
ein binäres λ-Signal im
stationären
Bereich bei genauerer Einhaltung der für die Lebensdauer eines vorstehend
beschriebenen Sensors 1 wichtigen Größen.
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- λ
- Luftzahl
- NOx
- Stickoxid
- A
- Verbrennungsgasgemisch
- U
- Umgebungsluft
- k
- Gewichtsfaktor
- M1
- Elektrode
- M2
- Elektrode
- P+
- Elektrode
- P–
- Elektrode
- Ref
- Referenzelektrode
- VRef
- Potential
der Referenzelektrode
- VPWM
- Steuerspannung
- ΔV
- Potentialverfälschung
- 1
- keramischer
Breitbandsensor
- 2
- Festkörper-Elektrolyth
- 3
- Messzellen/Sensorzelle
- 3a
- Kanal
- 4
- Messzellen/Pumpzelle
- 4a
- Kanal
- 5
- Messzellen/Referenzzelle
- 5a
- Kanal
- 6
- Heizerschicht
- 7
- Isolationsschicht
- 8
-
- 9
- Vorschaltmittel
- 10
- Verstärker